Экспериментальная установка на крыше MIT. MOF кристаллы расположены под прозрачной крышкой, прозрачность которой позволяет солнцу прогревать их и высвобождать накопленную воду. Желтый и красный конденсатор, покрытый каплями воды, расположен на дне установки
У вас не получится выжать воду из камня, но из пустынного неба теперь сможете, благодаря новому устройству, которое использует солнечный свет, чтобы извлекать водяные пары из воздуха даже при чрезвычайно низкой влажности. Устройство может производить около 3 литров воды в день на каждый килограмм губкообразного поглотителя, который оно содержит, и как утверждают исследователи — будущие версии будут еще лучше. Это означает, что дома в самых сухих частях света могут вскоре иметь питаемый солнцем прибор, способный производить всю воду, в которой они нуждаются, принося пользу миллиардам людей.
13 триллионов литров воды, растворенных в атмосфере, эквивалентны 10% всей пресной воды в озерах и реках нашей планеты. Уже давно разработаны различные способы захвата атмосферной влаги, например из тумана, также используются всевозможные энергоемкие осушители – конденсаторы. Но оба подхода требуют либо очень влажного воздуха, либо слишком много электроэнергии.
MOF-пористые кристаллы на подложке
Чтобы найти универсальное решение, исследователи под руководством Омара Яхи (Omar Yaghi), химика из Калифорнийского университета в Беркли (Berkeley), обратились к семейству кристаллических порошков, называемых металл-органическими каркасами (metal organic frameworks) или MOF. Яхи получил первые MOF-пористые кристаллы, которые образуют непрерывные трехмерные сети — более 20 лет назад. Сети образуют структуры в стиле детских собираек-конструкторов из атомов металла, которые действуют как хабы и палочковидные органические соединения, которые соединяют хабы вместе. Выбирая различные металлы и органику, химики могут изменять свойства каждого MOF, контролируя газы, связывающиеся с ним, а так же прочность самого кристалла.
Омар Яхи, на фоне моделей металл-органических пористых кристаллических структур, способных собирать воду из атмосферного воздуха. Открытие Яхи уходит корнями в середину девяностых годов прошлого века.
За последние 2 десятилетия химики синтезировали более 20 000 MOF, каждый из которых обладает уникальными свойствами захвата молекулы. Например, Яхи и другие исследователи недавно разработали MOF, которые поглощают и после выпускают метан, являясь своеобразными газовыми резервуарами с возможностью использования в транспортных средствах, работающих на природном газе.
В 2014 году Яхи и его коллеги синтезировали MOF, который обнаружил отличные показатели поглощения воды даже в условиях низкой влажности. Это привело его к тому, чтобы связаться с инженером-механиком Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже Эвелин Ванг, с кем он ранее работал над проектом по использованию MOF в автомобильном кондиционировании воздуха. После синтеза нового MOF на основе циркония, получившего название MOF-801, Яхи встретилcя с Ванг в MIT с предложением: «Эвелин, нам необходимо разработать новое устройство для сбора воды». И она дала свое неизменное согласие.
Схематическое изображение MOF. Красные и черные точки в модели являются металло-органическими структурами, удерживаемые черными связками — строительные блоки, соединенные Омаром Яхи в кристаллические пористые губки при помощи ретикулярного химического формирования. Желтые шары отображают поры, способные удерживать молекулы воды.
Система, созданная Ванг и ее студентами, содержит килограмм, размером с пылинку, кристаллов MOF, размещенных на тонкой, пористой медной пластине. Эта пластина помещается между солнечным поглотителем и конденсатором влаги и расположена внутри камеры. Ночью камера открывается, позволяя окружающему воздуху проникать в поры MOF, в свою очередь молекулы воды прилипают к внутренним структурам кристалла. Вода, таким образом, собирается своеобразными молекулярными группами по восемь штук, образуя кубические капли. Утром камера закрывается, солнечный свет проникая через верхнее окно устройства, нагревает MOF пластину, которая высвобождает капельки воды в сторону охладителя-конденсатора путем простого испарения.
Разность температур, а также высокая влажность внутри камеры приводят к конденсации пара в воду, которая попадает в коллектор. Установка работает настолько хорошо, что вытягивает 2,8 литра воды из воздуха в день на каждый используемый килограмм MOF, сообщает команда Berkeley и MIT сегодня издательству Science.
По материалам зарубежных научно-популярных интернет издательств
news.mit.edu newscenter.lbl.gov phys.org
Комментарии (40)
muhaa
24.03.2018 00:58+6Ночь, нечем заняться. При 30 градусах имеем до 30 грамм воды в кубометре воздуха. При влажности 40% имеем 12 грамм на м3. 3000 г. за сутки — это 250 кубов воздуха. Получаем полное извлечение воды из 2.9 литров воздуха каждую секунду.
VMichael
24.03.2018 02:12-1В результате деятельности подобных установок воздух будет становится суше?
Если миллиарды людей (как указано в статье) воспользуются этой штукой в пустыне, воздух пустыни станет еще суше и работа таких установок станет менее производительной.
Nuwen
24.03.2018 03:28+8Использованная вода будет снова испаряться в тот же воздух.
VMichael
25.03.2018 02:21Отвечу тут всем ответившим.
1. Насчет 0,000023% вопрос в том, что люди будут выкачивать по 3 литра в локальной области. Да, ветром принесет влагу из других областей. А если погода безветренная и жаркая, не будет ли локальных областей еще более сухого воздуха (вы же берете в расчет какое то общее количество влаги в атмосфере, но где то идут дожди постоянно, а где то пустыня)? Как это скажется на работе установок? Да, бедуины с помощью камней делают это, но не массово. Тут речь идет о миллиардах же.
2. Насчет того, что вода снова испариться. Испариться, но не вся. Что то уйдет в землю. Да, есть круговорот воды и все такое. Но вот из подземных источников качают и уровень постоянно понижается, что является проблемой даже в Подмосковье, хотя вроде бы круговорот, но локальные перекосы таки случаются, круговернутся вода не успевает.
3. Я сам жил на севере, за полярным кругом 30 лет. Полярной усталостью обычно называют усталость от полярных ночей и холода. Про проблему сухого воздуха у вновь приезжающих услышал впервые. Скорее, наоборот. Когда с севера приезжаешь на юг, воздух слишком влажный, «липкий». Дышится тяжело. Воздух на севере конечно посуше, но далеко не пустыня. Да, думаю желающие могут погуглить и сравнить влажность.Nuwen
25.03.2018 02:49люди будут выкачивать по 3 литра в локальной области
Один только человек в сутки потребляет примерно 360 литров кислорода. Есть локальные области (почти вся поверхность материков), где растения практически не выделяют излишков кислорода, поскольку растение выделяет кислород и потребляет углекислоту только в процессе роста. Подавляющая масса О2 выделяется океаническими водорослями. Однако незаметно какого-то катастрофического уменьшения уровня кислорода в центре материков, несмотря на любую погоду.
Но вот из подземных источников качают и уровень постоянно понижается, что является проблемой
Не понятно, что именно вызывает тревогу-то? Какой-то процент воды уйдёт в землю, в засушливых регионах совсем небольшой. Опять же в таких регионах и так усиленно качают воду из под земли.
ploop
25.03.2018 09:47Это из разряда «если я брошу фантик в тайге, я нанесу непоправимый вред экологии». Вы просто не представляете масштабов планеты и процессов, в ней происходящих.
Krapiv
24.03.2018 04:35+5Если 1 миллиард человек будут выкачивать по 3 литра, то это уменьшит содержание воды в атмосфере на 0,000023%.
Которая, как заметили выше вернется опять в атмосферу испарением.
struvv
24.03.2018 13:51я жил на Севере, там воздух вообще высушен до упора и норм. Но, говорят, когда туда приезжает человек, никогда там не живший, у него возникает полярная усталость как раз из-за такого воздуха
hippohood
24.03.2018 05:10Интересно что переведенная статья в science годовой давности, но в разных новостных изданиях появилась только сейчас. Что-то случилось недавно?
Immortal_Yohan
24.03.2018 06:28+1И вот видео в тему май 2017
Разоблачение от Thunderf00t (англ)
Jeyko Автор
24.03.2018 08:47+2Спасибо. Поглядим. Если отбросить ерничество и витийство рассказчика, то есть смысл в его смысловицах. Он мог бы уложить все в минут 10-15.
По статье:
Либо журналисты так преподносят материал, либо прям не верится в наличие петриков у таких солидных исследовательских и учебных заведениях!
Hellsy22
24.03.2018 20:16Ну, он перегнул палку в другую сторону. Очевидно же, что на фото — лабораторный прототип с элементом Пельтье. И что реальное устройство, выдающее литры воды, будет больше раз эдак в тысячу. И идея лежащая в основе тоже как бы понятна — насосем воды из воздуха с помощью MOF, потом нагреванием (солнцем) вытащим ее из MOF, получив горячий и влажный воздух, который отправим остывать на огромном радиаторе.
ittakir
24.03.2018 07:35+1Забрать воду из воздуха в приличных количествах можно, но не с помощью таких милых маленьких хипстерских устройств.
Оптимальным, на мой взгляд, будет компрессорный холодильник с большим радиатором конденсатора и рекуператором температуры для воздуха перед испарителем. Рекуператор нужен, чтобы охлаждаемый воздух не нужно было охлаждать — отработанный холодный воздух будет нагревать новую порцию. При этом затрат на охлаждение воздуха по идее вообще не потребуется! Только на конденсацию воды.
Наиболее эффективно прибор будет работать ночью. Относительная влажность воздуха ночью выше, часто ночью даже возникают туманы. А это означает, что добраться до точки росы легче, и меньше затраты на перекачку тепла от конденсации воды.
Если электричества нет, то необходима большая солнечная батарея, хотя бы 1 кв. м. Потребление холодильника около 100Вт. Плюс вентиляторы до 50 Вт. Для работы ночью нужно запасть энергию в аккумуляторах.
arheops
24.03.2018 11:02+1Пока не сделали как-то рекуператоров с реальной эффективностью больше 75%(причем типичная будет около 50%). Тоесть энергия на охлаждения воздуха — будет нужна полюбому.
В пустыне прийдется питать еще мощный вентилятор(вероятно, мощнее холодильника) и менять фильтры от пыли, а во многих пустынях — еще и бороться с солью в воде.
Osnovjansky
24.03.2018 22:22Несколько лет назад довольно плотно читал форумы для самозастройщиков.
«Простые» обычные рекуператоры специально не делают высокоэффективными. Эффективность выбирают ровно такой, чтобы в самый сильный мороз конденсат из выходящего воздуха оставался жидким, а не нарастал льдом
Увеличить эффективность особых проблем нет: при той же площади теплообменных пластин уменьшаем поток воздуха в десять раз, изменяем конфигурацию каналов так чтобы сохранить линейную скорость той же и потери уменьшатся в десять раз. (Всё это, разумеется, в первом приближении)
Osnovjansky
24.03.2018 22:18Вы забыли об офигенной энергоемкости процесса конденсации воды
Удельная теплота парообразования 2 258 000 Дж/кг
Если тепловой насос будет перекачивать тепло со скоростью 100 Вт, то за сутки перекачает 24*60*60*100 = 8 640 000 Дж. Т.е. получим 3,8 кг водыittakir
25.03.2018 07:37Прелесть теплового насоса в том, что чем меньше разница температур холодного и горячего концов, тем большее количество тепла он может перекачать, потребляя от розетки одну и ту же мощность в 100 Вт. Например, хороший кондиционер дает холода в 3-4 раза больше, чем потребляет. Таким образом, получаем уже 15 литров воды.
jrthwk
24.03.2018 22:31Внезапно, это называется конденсатор воды из воздуха, и используется уже несколько тысяч лет.
Без всяких батарей и вентиляторов — просто большая куча камней на водонепроницаемом основании.
Marsikus
25.03.2018 09:18Да, тоже подумал, что очень не хватает сравнения с холодильной машиной снабженной солнечной батареей и аккумулятором. Причем последние два компонента не везде обязательны, так как на земном шарике есть и такие места, где электричество уже есть, а с водой дела все равно плохи.
Demon_i
24.03.2018 10:51-1Система, созданная Ванг и ее студентами, содержит килограмм, размером с пылинку, кристаллов MOF, размещенных на тонкой, пористой медной пластине.
Это ж какая у него плотность, что пылинка весит килограмм?
vvzvlad
24.03.2018 15:30+1килограмм, кристаллов MOF, размером с пылинку. Так лучше?
nsmcan
24.03.2018 22:00содержит килограм мельчайших, размером с пылинку, кристаллов MOF
или содержит килограмм кристаллов MOF, каждый размером с пылинку — подойдет немного со скрипом, только потому, что килограмм один, а "каждый" подразумевает множественность...
JhonCar
24.03.2018 11:34Вентиляторы в пустыне можно запитать от солнечных батарей, либо днем заряжать акк, а ночью крутить ими вентиляторы для добычи воды.
denis64
24.03.2018 20:35Чем эта технология лучше простого холодильника? Она повышает температуру точки росы на этой подложке? Если да то каков % прироста?
Osnovjansky
24.03.2018 22:29По идее — повышает и значительно. На этапе извлечения мы имеем дело с замкнутым объемом, в котором только тот воздух что был, а значит при нагреве более 100 градусов получим давление 2 атмосферы и 50 объемных % содержания воды. В качестве конденсатора сможет выступать пластина, которая имеет температуру воздуха днем в тени. Останется только выводить жидкую воду — либо через пористую мембрану из смачиваемого водой материала, либо открывая клапан сброса излишков накопившейся воды
nathanael
24.03.2018 22:59Новость отличная конечно.
Это означает, что дома в самых сухих частях света могут вскоре иметь питаемый солнцем прибор, способный производить всю воду, в которой они нуждаются, принося пользу миллиардам людей
А где они найдут деньги на производство и/или оплату этих установок?
safari2012
26.03.2018 13:53В детстве мне попадалась статья в советском журнале типа «Наука и жизнь» (точно уже не вспомню). Суть в том, что для выживания в пустыне достаточно иметь два больших полиэтиленовых пакета (один из них должен быть прозрачным). Прозрачным пакетом накрывается куст живого растения, создается парник. Второй пакет кладется вниз, для сбора конденсата. Растение в парнике выделяет пары воды, которые оседают и стекают во второй пакет. В статье описывался натурный эксперимент, тестировали вроде на кусте саксаула то ли в Каракуме, то ли в Кызылкуме, один куст пару литров в сутки выдавал.
Calvrack
Это типа очередной WaterSeer и Fontus?
cicatrix
Походу, да. Интересно, сколько воздуха надо прокачать в какой-нибудь пустыне, чтобы получить 3 литра воды… Я не сомневаюсь в способности материала, но сложно искать чёрную кошку в тёмной комнате, особенно, если её там нет.
PsyDoc
Днем относительная влажность в пустынях мира колеблется в пределах 5-20 %, а ночью — от 20 до 60 %. Т.е. очень грубо от 20 … 5 грамм на кубометр. Кстати, в Сибире может быть и меньше грамма на кубометр зимой запросто. Т.е. много, тысячи кубов, но так или иначе, если эта хрень собирает свои три литра на кило, то ей и хватает. Другое дело, если такие поля делать, то не будет ли оно локально пересушивать воздух в штиль и эффективность будет падать? Но, это вряд ли.
PsyDoc
Стоимость опресненной воды, кстати, в лучших решениях вроде бы где-то в районе 0,5-2 доллара за кубометр. Передвинуть это на 1000 км стоит 10-30 долларов за кубометр. Очень комфортное использование воды – где-то 10 кубов на человека в месяц, экономное – 2-3 куба.
numitus2
насколько я понимаю, в этих районах вода нужна чтобы пить. 3 куба это чтобы мыть посуду, и каждый день принимать душ. На самом деле 5 литров воды(пить и готовить пищу) будет для начала достаточно.
Jeyko Автор
Нет, судя по описанию, это совершенно разные вещи.
Наткнулся на статьи про этого химика-физика, будучи в поисках сабжа для похода.
У Яхи все гораздо революционнее.
Если это воплотить в жизнь с такими компактными размерами, то будет очень даже здорово.
WaterSeer типичный дехьюмидифаер с вентилятором.
arheops
Проблема же не в том, что малая эффективность. А в том, что в пустыне прийдется прокачать 100+м3 на каждый литр воды. А вентилятора в концепте — нету.